Op weg naar 2050 (70% minder fossiel): de Koninklijke Marine

Defensie heeft als doelstelling om in 2030 20% minder afhankelijk te zijn van fossiele brandstoffen, en in 2050 70% minder. Maar er is nog geen beleid of plan dat daartoe enig perspectief biedt. Wat zijn de operationele, technische-logistieke mogelijkheden richting 2050? In dit eerste artikel enkele observaties over toekomstige fregatten.

Nieuwe voortstuwingsconfiguraties voor fregatten

De nieuwe Nederlands-Belgische ASW-fregatten (+/- 5500 ton) zullen geen gasturbines krijgen. Een diesel-elektrische energiecentrale levert vermogen voor zowel boordnet als voortstuwing. De maximale vaart zal vermoedelijk rond de 25 knopen liggen. De Marine levert daarmee snelheid in om brandstof te besparen. Dat was twee jaar geleden (publicatie B-brief) een gewaagde stap, maar lijkt nu een trend te worden.

Ook Duitsland heeft voor het fregat F 126 (9000 ton) gekozen voor een schip zonder gasturbines. De nieuwe fregatten krijgen een zogenaamde CODLAD voortstuwing. Dieselmotoren drijven beide schroefassen aan, extra vermogen is beschikbaar via elektromotoren. De elektromotoren worden gevoed door een boordnet met vier dieselgeneratoren. De maximale vaart wordt 26 knopen. 

De Royal Navy bouwt momenteel acht Type 26 klasse fregatten (6900 ton). De schepen krijgen een CODLOG voortstuwing. Eén gasturbine (MT 30) drijft beide assen aan. Elke as kan ook worden aangedreven met een elektromotor. Die worden gevoed door een boordnet met vier dieselgeneratoren. Gasturbine en elektromotoren kunnen niet samen vermogen leveren. De maximale vaart zal 26+ knopen zijn.

Een toekomstige generatie Britse marineschepen moet formeel gaan bijdragen aan nationale inspanningen om klimaatverandering tegen te gaan. Een eerste verkenning van het Type 32 fregat (door BAE) voorziet in een onorthodoxe CODLAD oplossing. Diesels drijven één centrale as aan. Voor lage vaart en manoeuvreerbaarheid beschikt het schip over twee azipods: een draaibare combinatie van elektromotor en schroef. De azipods worden op hun beurt gevoed door het boordnet (zie noten).

Voor- en nadelen

Door in te leveren op de maximale vaarsnelheid (was traditioneel 30 knopen) wordt aanzienlijk op brandstof bespaard. Snelheid en vermogen verhouden zich namelijk in een derde macht: om twee keer sneller te varen is acht keer meer vermogen nodig. Dat betaalt zich niet alleen uit bij (lagere) maximale vaart, maar ook bij economische vaart. De voortstuwing is dan immers uitgelegd voor een kleiner vermogen en is daardoor overall energie-efficiënter.   

Gasturbines hebben een onovertroffen power-to-weight-ratio, maar zijn in deellast energie-inefficiënt. Door niet langer gasturbines maar alleen dieselmotoren te gebruiken, wordt niet alleen op de brandstofkosten bespaard, maar ook op andere kosten. Alleen marines maken gebruik van (maritieme) gasturbines wat zich vertaalt in hoge kosten per draaiuur.

Met een dieselelektrisch centrale (zoals het BE/NL ASW fregat) kan het aantal draaiende diesels steeds optimaal worden aangepast aan de energievraag. Door gezamenlijk in voortstuwing en boordnet te voorzien, wordt ook het aantal "prime movers" beperkt. Er zijn geen complexe tandwielkasten en variabele schroefspoedinstallaties nodig. Het bespaart aanzienlijk op de investerings- en exploitatiekosten.

Door maar één centrale as te gebruiken zoals voorgesteld voor Type 32, zijn er geen hinderlijke  stroomlijnkappen en brackets nodig zoals bij gebruikelijke twee-as configuraties. De stroomlijning verbetert verder door het ontbreken van de tweede schroef en de twee roeren. Die winst wordt overigens deels teniet gedaan door de beide azipods.

Gemakkelijke oplossingen zijn er niet

Mooi dat de maritieme sector in beweging komt en werkt aan energie-efficiënte voortstuwingen. Maar gaan marines daarmee echt bijdragen aan de doelstellingen om in 2050 70% minder fossiel te gebruiken? De besparingen die hiervoor zijn beschreven, zullen hoe belangrijk ook, voor een deel teniet worden gedaan door het toenemen van de waterverplaatsing. Dertig jaar geleden was een fregat gemiddeld 3500 ton, maar is nu bijna het dubbele. Blijkbaar nodig voor nieuwe wapensystemen en ruimere accommodatie (dat terwijl de bemanningsgrootte gestaag afneemt).

En dan is er nog geen rekening gehouden met de onvermijdelijke groei wanneer schepen over  moeten op alternatieve brandstoffen. Alle alternatieven hebben, los van het feit dat ze vaak gevaarlijker en/of giftiger zijn dan de huidige brandstoffen, meer bunkercapaciteit nodig: een klein beetje bij bio- synthetische brandstoffen tot een veelvoud voor methanol en waterstof. Dat zal op zich de energievraag verder doen toenemen.

Om de doelstelling 2050 mogelijk te maken, moet de maximale vaart verder naar beneden, de waterverplaatsing kleiner, de voortstuwing dieselelektrisch met één schroef en (intrekbare) azipods, en zoveel mogelijk over op bio- of synthetische diesel. Wanneer schepen tegen de kant liggen, moet zonne- en windenergie worden opgewekt waarmee deels in het 'hotelbedrijf' wordt voorzien.

Oplossingen die waarschijnlijk op gespannen voet staan met inzichten hoe de maritieme slagkracht moet worden versterkt; een sine qua non voor de krijgsmacht. Maar de huidige inzichten zijn gebaseerd op de premisse dat fossiele brandstoffen onbeperkt beschikbaar zijn en bijna niets kosten. Dat is niet langer zo en dat dwingt Defensie niet alleen om na te denken over technische innovatie, maar ook over militaire innovatie. Defensie moet op zoek naar operationele concepten die middelen vragen die inherent minder brandstof gebruiken dan de huidige platformen. 

De enige andere oplossing is nucleaire voortstuwing. Proven technology want grote marines maken daar al decennia gebruik van. Maar voor kleinere marines was dat tot nu toe organisatorisch en financieel onbereikbaar. Nu Nederland weer belangstelling voor kernenergie heeft, moet Defensie actief participeren in onderzoek naar de haalbaarheid van Small Nuclear Reactors. Technologie die mogelijk ook voor de Koninklijke Marine beschikbaar komt.   

Noot 1: Zr.Ms. Johan de Witt (2007) maakt gebruik van azipods voor de voortstuwing. 

Noot 2: Mijnenjagers van de Alkmaarklasse (1983) maken ook gebruik van één centrale as en twee azimuth schroeven.

Foto: Defensie